件的支持，近年来许多控制系统设备供应商纷纷采用E thernet作为工厂底层控制网络的信息传输主干，用以连接系统监控设备和现场高级智能设备并采用TCP/ IP协议，使得工厂的管理可以直接进入控制现场。在工业现场最为典型的应用形式是E thernet+TCP/IP，基于E thernet+TCP/IP的传感器、变送器可以直接成为网络的节点，其控制参数和它的状态可以直接在企业信息网络内传输和共享，从而避免了DCS和FCS因存在多种协议而难集成的局面。 3 结束语
为使企业能快速应变内外环境的变化，以较低代价来改变经营及生产模式，实现企业管理控制一体化将是一个行之有效的途径，而企业内的信息集成是实现管控一体化的关键。在生产现场，存在着大量的异构设备，必将出现多种总线共存、多种系统集成和多种技术集成的局面。采用标准接口和统一的通信协议是便于系统集成的关键。OPC技术是解决系统信息集成和共享的最理想手段，它完全支持分布式应用和异构环境下应用程序之间软件的无缝集成和互操作性，它使设备层、自动化层以及信息层之间的协同工作成为了可能。
参考文献
蝴蝶螺母1 侍洪波，黄道.CIPS系统的若干关键技术难题.微型电脑应用, 1999(4):20～22
2 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社,1998
3 张浩.工业计算机网络与多媒体技术.北京：机械工业出版社, 1998
4 金以慧，郭仲伟.过程控制系统与管理.北京：中国石化出版社, 1998
5 谭鸿儒，丁伟.现场控制网络技术展望.测控技术,2000(12):1～4 6 程晓琳，徐用懋.FCS选型及与DCS的集成.工业控制计算机, 2000.2:1～4.
7 綦希林等.e时代企业管控一体化.微计算机信息,2001(1)
收稿日期:2002-05-21。
作者冯丽辉，女,1962年生，硕士，副教授，硕士生导师；研究方向：计算机控制技术与应用、虚拟仪器。
The Application Skills for Photoelectric Coupler
李丹荣 王新第 杜 维
(浙江大学自动化仪表研究所，杭州 310027)
摘 要 从光电耦合器的基本结构和性能特点出发，针对采用光电耦合器进行抗干扰设计中遇到的非线性、响应速度及功率接口三个方面的问题，提出了相应的电路设计方案，介绍了不同类型的光电耦合器及其应用实例。 关键词 光电耦合器 抗干扰 非线性 响应速度 功率接口
Abstract From basic structure and performance of photoelectric coupler and in accordance with three problems occur in anti2interference design of pho2 toelectric coupler,relevant circuit design strategy is stated.These problems are non2linear,response speed and power interface.Different categ ories of pho2 toelectric coupler and exam ples of application are introduced.
K ey w ords Photoelectric coupler Anti2interference N on2linear Response speed P ower interface
0 引言
光电耦合器(简称光耦)，是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电—光—电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光电耦合器可根据不同要求，由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管和光敏三极管组合成的光电耦合器，其内部结构如图1a所示。
图1 光电耦合器结构及输入、输出特性
光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传
《自动化仪表》第24卷第6期 2003年6月
递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题:①光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题;②光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题;③如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。
1 光电耦合器非线性的克服
光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示，如图1b 所示；输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性，如图1c 所示。由图可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，直接用来传输模拟量时精度较差[1]。
解决方法之一，利用2个具有相同非线性传输特性的光电耦合器T 1和T 2，以及2个射极跟随器A 1和A 2组成，如图2所示。如果T 1和T 2是同型号同批次的光电耦合器，可以认为他们的非线性传输特性是完全一致的，即K 1(I 1)=K 2(I 1)，则放大器的电压增益G =
U 0/U 1=I 3R 3/I 2R 2=(R 3/R 2)[K 1(I 1
)/K 2(I 1)]=R 3/R 2。由此可见，利用T 1和T 2电流传输特性的对称性，利
用反馈原理，可以很好的补偿他们原来的非线性[1]。
图2 光电耦合线性电路
另一种模拟量传输的解决方法，就是采用VFC (电压频率转换)方式，如图3所示。现场变送器输出模拟量信号(假设电压信号)，电压频率转换器将变送器送来的电压信号转换成脉冲序列，通过光耦隔离后送出。在主机侧，通过一个频率电压转换电路将脉冲序列还原成模拟信号。此时,
相当于光耦隔离的是数字量，可以消除光耦非线性的影响。这是一种有效、简单易行的模拟量传输方式。
当然，也可以选择线性光耦进行设计，如精密线性光耦TI L300，高速线性光耦6N135/6N136。线性
光耦一般价格比普通光耦高，但是使用方便，设计简单；随着器件价格的下降，使用线性光耦将是趋势。
图3 VFC 方式传送信号
2 提高光电耦合器的传输速度
当采用光耦隔离数字信号进行控制系统设计时，光电耦合器的传输特性，即传输速度，往往成为系统最大数据传输速率的决定因素。在许多总线式结构的工业测控系统中，为了防止各模块之间的相互干扰，同时不降低通讯波特率，我们不得不采用高速光耦来实现模块之间的相互隔离。常用的高速光耦有6N135/
6N136,6N137/6N138。但是，高速光耦价格比较高，导
致设计成本提高。这里介绍两种方法来提高普通光耦的开关速度。
由于光耦自身存在的分布电容，对传输速度造成影响，光敏三极管内部存在着分布电容C
be 和C ce ，如图4所示。由于光耦的电流传输比较低，其集电极负载电阻不能太小，否则输出电压的摆幅就受到了限制。但是，负载电阻又不宜过大，负载电阻R 1越大，由于分布电容的存在，光电耦合器的频率特性就越差，传输延时也越长。
图4 光敏三极管内部分布电容
用2只光电耦合器T 1,T 2接成互补推挽式电路,
可以提高光耦的开关速度，如图5所示。当脉冲上升为“1”电平时,T 1截止,T 2导通。相反，当脉冲为“0”电平时,T 1导通,T 2截止。这种互补推挽式电路的频率特性大大优于单个光电耦合器的频率特性。
图5 2只光电耦合器构成的推挽式电路耐热粘合剂
此外，在光敏三极管的光敏基极上增加正反馈电
光电耦合器的实用技巧 李丹荣，等
路，这样可以大大提高光电耦合器的开关速度。如图
6所示电路，通过增加一个晶体管，四个电阻和一个电
容，实验证明，这个电路可以将光耦的最大数据传输速率提高10倍左右[2]
。床铰
图6 通过增加光敏基极正反馈来
提高光耦的开关速度
3 光耦的功率接口设计
微机测控系统中，经常要用到功率接口电路，以便于驱动各种类型的负载，如直流伺服电机、光学检测技术
步进电机、各种电磁阀等。这种接口电路一般具有带负载能力强、输出电流大、工作电压高的特点。工程实践表明，提高功率接口的抗干扰能力，是保证工业自动化装置正常运行的关键。
就抗干扰设计而言，很多场合下，我们既能采用光电耦合器隔离驱动，也能采用继电器隔离驱动。一般情况下，对于那些响应速度要求不很高的启停操作，我们采用继电器隔离来设计功率接口；对于响应时间要求很快的控制系统，我们采用光电耦合器进行功率接口电路设计。
这是因为继电器的响应延迟时间需几十
ms ，而光电耦合器的延迟时间通常都在10μs 之内，同时采用新型、集成度高、使用方便的光电耦合器进行功率驱动接口电路设计，可以达到简化电路设计，降低散热的目的。
图7 光电隔离，加三极管放大驱动
图7是采用光电耦合器隔离驱动直流负载的典型电路。因为普通光电耦合器的电流传输比CRT 非常小，所以一般要用三极管对输出电流进行放大，也可以直接采用达林顿型光电耦合器(见图8)来代替普通光耦
阀门手轮T
1，例如东芝公司的4N30。对于输出功率要求更高的场合，可以选用达林顿晶体管来替代普通三极管
图8 达林顿型光电耦合器
T 2，例如U LN2800高压大电流达林顿晶体管阵列[3]系
列产品，它的输出电流和输出电压分别达到500m A 和
50V 。
对于交流负载，可以采用光电可控硅驱动器进行隔离驱动设计
，例如T LP541G ,4N39。光电可控硅
驱动器，特点是耐压高，驱动电流不大，当交流负载电流较小时，可以直接用它来驱动，如图9所示。当负载电流较大时，可以外接功率双向可控硅，如图10所示。其中,R 1为限流电阻，用于限制光电可控硅的电流;R 2为耦合电阻，其上的分压用于触发功率双向可控硅。
图9 小功率交流负载
图10 大功率交流负载
当需要对输出功率进行控制时，可以采用光电双向可控硅驱动器[4]，例如M OC3010。图11为交流可
控驱动电路，来自微机的控制信号V IN 经过光电双向可控硅驱动器T 1隔离，控制双向可控硅T 2的导通，实现交流负载的功率控制。
图11 交流可控电路
图12为交流电源输出直流可控电路。来自微机的控制信号V IN 经过光电双向可控硅驱动器隔离，控制可控硅桥式整流电路导通，实现交流一直流的功率控制。此电路已经应用在我们实验室研制的新型电机控
制设备中，效果良好。
《自动化仪表》第24卷第6期 2003年6月
图12 交—直流可控
4 结束语
本文从光电耦合器的基本结构、性能特点出发，针对实际应用中可能遇到的非线性、响应速度、功率接口设计三个方面，提出了相应的几种电路设计方
ci524案，并介绍了各种不同类型的光电耦合器及其应用实例。
参考文献
1 王幸之.单片机应用系统抗干扰技术.北京：北京航空航天大学
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2 Helen S tapleton ,Albert O ’G rady.Isolation techniques for high 2resolution
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3 谭晓波.达林顿晶体管阵列U LN2800系列及其应用.微计算机信
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4 曹晓伟.M OC3061系列光电双向可控硅驱动器.国外电子元器件,1996(12)
收稿日期:2002-12-01。
第一作者李丹荣，男,1977年生，现为在读硕士研究生。
光电编码器在控制系统中的应用
The Application of Photoelectric Encoder in Control Syste ms
陈志军 梁岚珍 南新元
(新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830008
)
摘 要 介绍了光电编码器脉冲四倍频电路及与计算机的脉冲接口。具体介绍了光电编码器在车速检
定系统(设定值控制)中的应用。设计中，为了消除小车运行中的振动带来的运算误差，设置了减振电路；采用了PC L -836计数板作为计算机的接口电路，硬件简单可靠。
关键词 光电编码器 四倍频电路 脉冲 滤波
Abstract The photoelectric encoder quadruple circuit and its pulse interface with com puter are presented.The application of the encoder in vehicle speed exam ine system (setpoint control )in introduced concretely.In order to elim inate the operational error caused by vibration in car running ,vibration reducing circuit is used in design.PC L -826counting broad is used as the interface with com puter.The hardware is sim ple and reliable.K ey w ords Photoelectric encoder Quadruple circuit Pulse Filtering
0 引言
光电编码器是高精度控制系统常采用的角位移检测传感器，其精度和分辨率主要决定于每转输出脉冲数。对于一般的编码器，厂家给出的A 、B 两相相互差异90°的方波脉冲，是用4个光电元件相当于等间距安放在一个栅距的距离上产生出的信号。因此,A ,B 两相脉冲的每个前沿和后沿实际上都对应着1/4栅距的位移信息。也就是说，脉冲当量的1/4才是光电编码器的可利用的最高精度，这可由四倍频电路实现。当然，要实现高精度计算机车速控制系统，不仅要有高分辨率的检测元件，还要有与之配
套的接口电路和控制电路及执行机构。
1 编码器选择
被控对象为检定车，车速范围:0.01～6.0m/s 。根据S L /T150—955《直线明槽中转子式流速仪的检定方法》的要求:v ≤0.1m/s 时，误差ε≤1.0%。其中，车速变化率ε定义为
ε=[v t - v t /v ]×100%
式中:v t 为检定车瞬时速度; v t 为检定车稳速运行的平均速度。
经讨论，当v ′t (期望值)<0.1m/s , v t 取10s 的平均速度，这样，当 v t =0.01m/s ，由于主门开启时刻与光电编码器发出的计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即它们在时间轴上的相对位置具有随机性，则系统误
光电编码器在控制系统中的应用 陈志军，等
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